[发明专利]一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法

权利要求书

1.一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法，其特征在于，所述预编码方法包括如下步骤：

步骤S1、针对智能反射面辅助的毫米波MIMO通信系统，基于Saleh-Valenzuela信道模型构建其信道模型H_I、信道模型H_R以及信道模型G，其中，所述毫米波MIMO通信系统包括基站侧和用户侧，在基站侧和用户侧之间还设置有所述的智能反射面，H_I表示为智能反射面与用户侧之间的信道模型，H_R表示为基站侧与智能反射面之间的信道模型，G表示为基站侧与用户侧之间的信道模型；

步骤S2、针对所述的智能反射面辅助的毫米波MIMO通信系统，构建以系统平均频谱效率最大化为优化目标的混合时间尺度联合预编码设计问题，其中，通过在总发射功率约束和硬件限制下联合优化智能反射面的反射系数矩阵和基站的混合预编码器的方式，来最大化系统平均频谱效率，其中，根据整体信道H_IΦH_R+G的瞬时信道状态信息来设计基站侧的混合预编码器，并根据信道H_R，H_I和G的统计信道状态信息优化智能反射面的反射系数矩阵；

步骤S3、针对步骤S2的优化问题，将其分解为子阵结构混合预编码和智能反射面反射系数矩阵两个设计子问题，再分别进行求解。

2.根据权利要求1所述的一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法，其特征在于，在所述步骤S3中，针对智能反射面反射系数矩阵的子问题的求解，其包括：首先通过等价转化和简化原问题，解耦两个优化变量的关联，然后将新的优化问题表述为关于单一反射系数的形式，接着提出一种有效的BCD算法进行求解；

针对混合时间尺度联合预编码设计问题的求解，其包括：首先定义虚拟变量解耦基带数字预编码器和模拟射频预编码器，然后利用注水算法解将原始子问题转换为只与模拟射频预编码器有关的优化问题，接着将得到的新问题松弛并改写为易于求解的形式，最后给出约束下的模拟预编码器闭式解。

3.根据权利要求1所述的一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S101、进行如下设定：基站侧的发射天线和用户侧的接收天线的数目分别为N_t和N_r；智能反射面的反射元件数目为M；基站侧的射频链数目为N_rf；基站侧和用户侧之间的传输数据流数目为N_s；总发射功率为P_tot；

步骤S102、构建该系统的发射信号，其表示为：

x＝F_RFF_BBs (1)

在公式(1)中，表示满足的发射符号，表示数字基带预编码矩阵，表示模拟射频预编码矩阵，针对子阵混合结构，模拟射频预编码器F_RF具有块对角矩阵形式，表示为：

在公式(2)中，表示对应于第d个子阵的模拟预编码器，它分配给第d个射频链，因为模拟射频预编码器通过移相器实现，所以f_d的每一个元素都具有单位幅度，表示为：|f_d(i)|＝1,1≤i≤N_A,1≤d≤D；

由于总发射功率约束，模拟射频预编码器和数字基带预编码器间的耦合满足：

步骤S103、构建用户侧的接收信号其表示为：

y＝(H_IΦH_R+G)F_RFF_BBs+n (4)

在公式(4)中，和分别表示基站侧与智能反射面之间的信道以及智能反射面与用户侧之间的信道，表示基站侧和用户侧之间的信道，表示均值为零，功率为的加性白高斯噪声，Φ表示智能反射面的对角反射系数矩阵，定义为：其中，θ_m∈[0,2π)表示智能反射面第m个元件的相移；

步骤S104、根据Saleh-Valenzuela信道模型生成基站侧与用户侧之间的信道模型，其表示为：

在公式(5)中，L是散射簇的数目，表示复数增益，θ_r,l和θ_t,l分别表示第l个簇的到达角和离开角；α_R(·)和α_T(·)分别表示接收和发送阵列响应矢量；其中，α_T(θ)表示为：

在公式(6)中，λ为信号波长，d为天线间隔；

公式(5)中的信道模型更紧凑地表示为：

在公式(7)中，Γ_G＝diag(r₁,…,r_L)表示衰落矩阵，A_r,G和A_t,G分别是到达角和离开角的叠层阵列导向矢量，其具体表示为：A_r,G＝[α_R(θ_r,1),…,α_R(θ_r,L)]，A_t,G＝[α_T(θ_t,1),…,α_T(θ_t,L)]；

步骤S105、智能反射面和用户侧之间的信道以及基站侧和智能反射面间的信道根据视距场景下的SV信道模型生成，它们的散射簇数目分别为S_I和S_R，因此，智能反射面和用户侧之间的信道表示为：

在公式(8)中，其中表示视距分量的复数增益，表示第s个非视距分量的复数增益，τ_r,s和τ_t,s分别为信道H_I的到达角和离开角；

相应的，该公式(8)同样更紧凑地表示为：

在公式(9)中，表示信道H_I的衰落矩阵，叠层阵列导向矢量A_r,I和A_t,I分别表示为：

根据几何SV信道模型，基站侧和智能反射面之间的信道表示为：

在公式(10)中，是视距分量的复数增益，是第s个非视距分量的复数增益，ψ_r,s和ψ_t,s分别为信道的到达角和离开角；

相应的，该公式(10)同样更紧凑地表示为：

在公式(11)中，为信道H_R的衰落矩阵，此外，叠层阵列导向矢量A_r,R和A_t,R分别表示为：